Topologie-Optimierung für den 3D-Druck

Die additive Fertigung ermöglicht im Gegensatz zu den traditionellen Bearbeitungstechniken die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien, deren Gesamtgewicht mit einer numerischen Methode, der so genannten „Topologie-Optimierung“, optimiert werden kann. Dadurch ist es auch möglich, die mechanische Festigkeit des hergestellten Teils zu maximieren. Die topologische Optimierung ist in der Tat eine Unterdomäne der numerischen Konstruktion, die es ermöglicht, dank mathematischer Formeln die optimale Materialverteilung in einem gegebenen Volumen zu finden, das mehr oder weniger wichtigen mechanischen Zwängen unterworfen ist.

Die Topologie-Optimierung besteht also darin, das Material dort, wo die Spannungen nicht durchgehen, mit Hilfe einer speziellen Software zu „entfernen“. Zu den bekanntesten Lösungen gehören Ansys Discovery, Tosca von Dassault Systèmes, Within Labs von Autodesk, Inspire von SolidThinking, Netfabb und Simufact Additive.

Der Entwurfsprozess durch Topologie-Optimierung

Topologie-Optimierung, wie funktioniert sie?

Konventionelle numerische Konstruktionsverfahren beinhalten das Aufbringen von Lasten auf ein bereits gefertigtes Teil und die Bewertung, wo dieses geschwächt wird. Die Ingenieure müssen die Konstruktion dann so lange überdenken, bis das Teil die vorgegebenen mechanischen Einschränkungen erfüllt. Bei der Topologie-Optimierung ist die Logik anders: Die mechanischen Belastungen sind die Eingangsdaten, die es der Software ermöglichen, eine neue Geometrie für das Teil vorzuschlagen. Die Iterationen sind daher a priori weniger zahlreich, was die Entwurfs- und Herstellungsvorlaufzeiten erheblich verkürzt.

Konkret beginnt die topologische Optimierung mit der Erstellung eines groben 3D-Modells während des Entwurfs oder mit der Verwendung eines vorhandenen Teils für eine Entwicklung, auf das verschiedene Lasten und Kräfte, die von dem Teil getragen werden (z.B. ein Druck auf die Befestigungslaschen), ausgeübt werden. Die Software berechnet dann alle angewandten Spannungen.

Auf dieser Ebene kann ein Schneiden des Teils durchgeführt werden, um die nicht beanspruchten Teile zu entfernen. Ein Entwurf des zukünftig optimierten Teils ist dann bereits sichtbar. Die endgültige Geometrie, die sowohl die mechanischen als auch die konstruktiven Anforderungen erfüllt, kann dann nach dem Glätten des Teils endlich erreicht werden. Schließlich erfüllt die Topologie-Optimierung entweder eine Notwendigkeit zur Massenreduzierung oder eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Teils.

Bildnachweis: Frustum/3D Systems

Software für die Topologie-Optimierung

Nicht jede CAD-Software bietet diese Topologie-Optimierungsfunktion: Auch wenn sie nicht unbedingt im Modellierungs- und Fertigungsprozess eingesetzt wird, kann es vorteilhaft sein, sich für eine Lösung zu entscheiden, die sie beinhaltet, um sicher zu sein, ein optimales Teil zu entwerfen. Einige Herausgeber haben deshalb spezielle Softwares entwickelt. Einer der Pioniere ist wahrscheinlich Altair mit seiner allerersten OptiStruct Lösung, zu der sich später eine weitere Lösung gesellte, Altair Inspire. Wir können auch Ansys, Dassault Systèmes, Autodesk und nTopology erwähnen. Es gibt viele CAD-Softwareprogramme, die Funktionen zur Optimierung Ihres Teils enthalten – man denke nur an Solidworks, Creo und Fusion 360.

Wie Sie sehen, ist die Wahl der richtigen Software zur Topologie-Optimierung ein wichtiger Schritt, da das Werkzeug es Ihnen ermöglicht, die Randbedingungen des zu erstellenden Teils entsprechend dem Herstellungsmaterial, den geometrischen Eigenschaften und den auferlegten mechanischen Belastungen zu definieren. Es werden die verschiedenen Lastfälle analysiert, ob das Teil normal oder im Extremfall verwendet wird, aber auch der für die Konstruktion zur Verfügung stehende Raum und die nicht zu verändernden Bereiche. Er wird daher in dieser Entwurfsphase Ihr bester Verbündeter sein.

Heute sind mehrere Softwareprogramme verfügbar

Wer verwendet die Topologie-Optimierung und zu welchem Zweck?

Die Automobilindustrie hat sich diesem Problem aus Gründen der direkten Kostenreduzierung durch die Einsparung von Rohstoffen im Zusammenhang mit Seriengrößen schnell zugewandt. In der Tat bedeutet ein Gewinn von wenigen Gramm pro Fahrzeug bei einer Produktion von mehreren Millionen Einheiten eine Materialeinsparung von mehreren Tonnen. Man denkt direkt an das 3D-gedruckte Fahrgestell des Light Rider, ein Teil, das dank optimaler Materialverteilung nur 6 Kilo wiegt. Ein jüngeres Beispiel ist das Radaufhängungssystem für Fiat Chrysler Automobiles, das mehr als 12 verschiedene Komponenten in einem einzigen Teil vereint. Durch den Einsatz der topologischen Optimierung hätten die Konstrukteure das Endgewicht um 36% reduziert.

Die Luftfahrt ist zweifellos ein weiterer Sektor, der sehr an einer topologischen Optimierung interessiert ist, um die indirekten Kosten zu senken. Ein leichteres Flugzeug verbraucht weniger Treibstoff, was für eine Fluggesellschaft auf lange Sicht zu erheblichen Einsparungen führt. Das bewies der Konstrukteur Andreas Bastian mit seinen Flugzeugsitzen: Er hatte sich eine 54% leichtere Konstruktion vorgestellt, die zusammengenommen eine sehr hohe Gewichtsreduktion für ein Flugzeug darstellen würde. Über den Gewichtsaspekt hinaus erlaubt die Topologie-Optimierung vor allem dem Luftfahrtsektor, sich viel komplexere Formen vorzustellen, da sich die Industrie von den Zwängen befreit, die durch eine Form auferlegt werden.

Im medizinischen Bereich ermöglicht die Topologie-Optimierung den Entwurf widerstandsfähigerer Implantate | Bildnachweis: Nuvasiv

Schließlich beschäftigt sich die Ärzteschaft mit dieser Konstruktionsmethode, insbesondere für die Herstellung maßgefertigter Implantate: Sie ermöglicht es, die Dichte und Steifigkeit von Knochen nachzuahmen und gleichzeitig ihr Gesamtgewicht zu reduzieren. Tatsächlich enthalten viele Implantate Gitterstrukturen und bleiben genauso stark wie die traditionell konzipierten, in einigen Fällen sogar stärker.

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